Experimente und numerische Berechnungen zur Entwicklung eines Festbettverfahrens zur Abtrennung von Kohlendioxid aus Biogas durch Adsorption an einem polymeren Adsorbens

Abstract

Biogas aus der anaeroben Fermentation weist einen Methangehalt von rund zwei Dritteln und einen Kohlendioxidgehalt von rund einem Drittel auf. Nach einer Gasreinigung und Methananreicherung kann Biogas in bestehende Erdgasnetze eingespeist werden, um die Nutzung der in Biogas enthaltenen Energie an anderen Orten als der Biogaserzeugung zu ermöglichen. In dieser Arbeit werden grundlegende Untersuchungen an einem Adsorbens durchgeführt, um ein neues Verfahren zur Abtrennung von Kohlendioxid konzeptionieren zu können. Neben bestehenden Verfahren - ein umfassender Überblick wird gegeben - soll das entwickelte, adsorptive Methananreicherungsverfahren geringere Restkohlendioxidgehalte im Reingas und einen geringeren Energieverbrauch aufweisen. Aufgrund der meist geringen, anfallenden Biogasmengen genügen großtechnische, für hohe Durchsätze entwickelte Anreicherungsverfahren oft nicht den Wirtschaftlichkeitsanforderungen zur Netzeinspeisung. Bei dem verwendeten Adsorbens handelt es sich um einen getrockneten, schwach basischen Anionenaustauscher, der bei Gasphasenanwendungen aufgrund dessen Basizität bevorzugt saure Gase reversibel adsorbiert. Die Basizität wird durch eine funktionelle Amingruppe erzielt. In einem ersten Schritt zur Entwicklung des neuen Adsorptionsverfahrens erfolgten thermogravimetrische Messungen zur Bestimmung des Adsorptionsgleichgewichts. Dazu wurden Messungen mit den Gasen Kohlendioxid, Methan und Stickstoff bei unterschiedlichen Temperaturen und Partialdrücken durchgeführt. Die Messergebnisse der thermogravimetrischen Experimente wurden durch ergänzende, gravimetrische Gleichgewichtsmessungen in einer separaten Laborapparatur verifiziert. Ferner erfolgten grundlegende Messungen hinsichtlich des Einflusses von Wasserdampf auf die Adsorption von Kohlendioxid.<br />Basierend auf den Gleichgewichtsdaten wurde eine Versuchsanlage entwickelt und aufgebaut, um das Adsorptionsverhalten im Festbett näher untersuchen zu können. Als Ergebnis dieser Experimente liegen Durchbruchskurven sowie Temperatur- und Druckverläufe für unterschiedliche Kohlendioxidgehalte im Meßgas und unterschiedliche Meßgasvolumenströme vor. Ausgehend von den Meßergebnissen folgten Entwicklungen von Gesamtverfahrenskonzepten, die sich aus der Aneinanderreihung der einzelnen Adsorptionsschritte ergeben. Aus den Vor- und Nachteilen der einzelnen Verfahrenskonzepte konnte ein Verfahrensschema für zukünftige Entwicklungsschritte ausgewählt werden.<br />Ferner wurde ein Programm zur numerischen Berechnung der einzelnen Adsorptionsschritte in MATLAB erstellt. Dieses Programm basiert auf einem vereinfachten, mathematischen Modell des Adsorptionsprozesses, dessen Gleichungssatz, bestehend aus einem System von partiellen Differentialgleichungen und algebraischen Gleichungen, unter Verwendung der Methode der "Orthogonalen Kollokation auf Finiten Elementen" gelöst wurde.<br />

Anaerobic fermentation yields biogas with a methane content of about two thirds and a carbon dioxide content of about one third in terms of volume fractions. After gas purification and methane enrichment the gas can be fed into existing gas distribution systems. Utilisation of biogas in this way enables energy consumption in a different place than biogas production. This thesis deals with fundamental investigations of an adsorbent aiming for a novel methane enrichment process. Besides established processes the novel adsorption process targets to lower carbon dioxide contents in the product gas and lower energy consumption. Large scale enrichment plants designed for high throughputs often cannot fulfil the economic requirements for grid feed-in resulting in the need of suitable processes. A dried, weakly basic anion exchanger is used as adsorbent with the capability of reversibly binding sour gases due to its basicity. The basicity rests on the functional amine group which is attached to the polymer matrix. The first step in the development of the novel adsorption process includes thermogravimetric measurements to obtain essential equilibrium data like equilibrium isotherms and isosteric heats of adsorption. Carbon dioxide, methane and nitrogen were used at various temperatures and partial pressures. For verification purposes complementary measurements were conducted in a separate laboratory column. Furthermore the laboratory column was used for fundamental experiments with water vapour containing gases. Based on the equilibrium data a laboratory scale adsorption plant was developed and erected for further investigations of the adsorption characteristics and dynamics. Breakthrough measurements were made at various carbon dioxide contents and at various flow rates. The thermogravimetric and breakthrough experiments led to considerations concerning feasible overall process designs made up of the single adsorption cycle steps. Eventually a process design is chosen based on the advantages and disadavantages of the individual process designs. For detailed calculations and a better understanding of the adsorption process a program was developed in MATLAB. The program is based on a simplified mathematical model of the adsorption process. The mathematical model consists of a system of partial differential as well as algebraic equations. For solving the problem a procedure including orthogonal collocation on finite elements, also known as global spline collocation, is used.